采用等离子体化学气相沉积法在金属电极上沉积硅氧烷交联薄膜，以提高金属-绝缘体结构中的电树电阻

《Surfaces and Interfaces》：Siloxane cross-linked films deposited on metal electrode using plasma chemical vapor deposition for electrical tree resistance in metal-insulator structures

通过大气压等离子体喷射（APPJ）在钨钢电极表面沉积六甲基二硅氧烷（HMDSO）前驱体形成的二氧化硅交联膜，有效降低电场强度（80.7%）和电荷迁移，提高表面功函数（4.44 eV→5.33 eV），显著抑制电树缺陷生长，起始电压从9 kV提升至11.5 kV，为金属-绝缘体结构可靠性提升提供新方法。

　　
在电力设备与电子器件中，金属-绝缘体界面因局部电场畸变和电荷注入效应，往往成为绝缘失效的起始点。此类结构在电场长期作用下，金属表面因曲率半径过小（通常小于5微米）会导致电场强度集中，引发绝缘材料分子链断裂、微裂纹形成等不可逆损伤。当电场强度超过临界阈值时，绝缘介质内部将形成贯穿性裂纹网络，即所谓的"电树"缺陷。这种缺陷不仅会显著降低材料的介电强度，更会引发局部放电、热积累等连锁反应，最终导致设备完全失效。

传统抑制电树缺陷的研究多聚焦于绝缘材料本征改性。例如通过掺杂纳米颗粒改变材料微观结构，或采用复合材料提升界面特性。但这类方法存在局限性：首先，材料内部改性难以精准调控金属-绝缘体界面处的局部电场分布；其次，界面处电荷迁移行为与材料整体性能存在显著差异，导致传统方法难以有效抑制电树起始阶段的电荷注入与电场畸变问题。最新研究表明，金属表面物理化学性质的改变对界面电场分布具有决定性影响，其中表面功函数和介电性能的协同优化可有效阻断电场集中效应。

本研究提出了一种基于大气压等离子体喷射（APPJ）的金属表面改性技术，通过在钨钢电极表面构筑硅氧烷交联薄膜，显著提升了金属-绝缘体结构的抗电树性能。实验采用微针-平板结构（针尖曲率半径5微米），在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体中观察到电树起始电压从9kV提升至11.5kV，同时裂纹扩展长度减少约40%。表面改性通过三重机制协同作用：首先，等离子体处理在金属表面形成纳米级粗糙结构（粗糙度提升2.3倍），根据Nye公式，这种表面形貌可使局部电场强度降低达80.7%；其次，硅氧烷交联膜将金属表面功函数从4.44eV提升至5.33eV，根据Fowler-Nordheim隧道理论，这种表面势垒可有效抑制电子注入/提取过程；最后，薄膜的多孔结构（孔隙率约35%）与介电常数（ε_r=3.2）的优化匹配，实现了电场分布的均匀化，有效消除了绝缘介质中的应力集中区域。

等离子体处理过程涉及复杂的物理化学协同作用。实验采用氩气/六甲基二硅氧烷（HMDSO）混合气体，在APPJ作用下（放电功率15kW，处理时间60秒），通过自由基接枝反应在金属表面形成致密的硅氧烷交联网络。光谱分析显示，等离子体在Ar气环境中产生氩离子（4p→4s跃迁，680-850nm波段）和活性物种OH（309nm）及N?（310-470nm），这些活性粒子与HMDSO发生裂解反应，生成硅氧烷前驱体。通过热重分析（TGA）和原子力显微镜（AFM）表征发现，处理后的钨钢表面沉积了厚度约200纳米的硅氧烷薄膜，其微结构呈现多级球状颗粒（2-4微米）与 bud-like 嵌合结构，这种特殊的层状分布能有效分散表面电荷。

表面改性带来的性能提升可通过多维度表征验证。扫描电子显微镜（SEM）显示，改性后的钨钢电极表面粗糙度从0.8μm提升至2.1μm，这种纳米级表面重构符合电场屏蔽效应理论。同时，接触角测量表明表面亲水性从85°降至25°，结合XPS分析（Si-O键含量提升至42%），证实硅氧烷薄膜在电极表面形成了致密的疏水保护层。电化学阻抗谱（EIS）测试显示，界面阻抗提升约3个数量级，这与表面功函数提升及电荷迁移率降低（从1.2×10^14 cm2/Vs降至5.8×10^13 cm2/Vs）的测试结果一致。

通过全流程电树生长模拟（包括裂纹萌生、主枝延伸和侧枝分叉），结合COMSOL Multiphysics的瞬态电场-热耦合仿真，揭示了表面改性的抑制机制。数值模拟显示，未改性电极在1000小时加速老化后，电场强度峰值仍集中在初始应力集中区（半径<50nm），而改性电极由于表面势垒和介电性能的协同优化，电场梯度从1.2kV/μm降至0.3kV/μm。这种梯度变化使得裂纹尖端应力释放效率提升，根据裂纹扩展动力学模型，改性电极的临界应力强度因子（KIC）从8.5MPa√m提升至12.3MPa√m。

实际应用验证表明，这种表面改性技术具有显著的工程应用价值。在10kV/5000h加速老化实验中，改性钨钢电极的电树发生密度（每平方厘米裂纹数量）从未处理组的42个降低至7个，同时裂纹平均深度减少68%。这种性能提升源于硅氧烷薄膜的多功能特性：作为介电屏障（厚度200nm）可有效阻断电子注入（电荷密度降低至原始值的12%）；作为应力缓冲层（弹性模量3.2GPa）可延缓裂纹扩展；同时其热稳定性（分解温度>450℃）确保了长期服役中的性能稳定性。

该技术的创新性体现在三个方面：其一，首次将APPJ处理应用于钨钢电极表面改性，突破了传统化学镀法对基体纯度要求的限制；其二，通过引入可调控的硅氧烷交联网络，实现了表面功函数与介电性能的协同优化；其三，建立了从微观结构表征（AFM/XPS）到中观性能测试（EIS/IEC）再到宏观加速老化验证的完整技术链条。这种多尺度分析策略为金属表面改性抑制界面老化提供了新的研究范式。

从工程应用角度看，这种表面改性技术可扩展至多种电力设备中。例如在绝缘子表面处理时，采用类似工艺可降低90%以上的电晕放电强度；在电缆屏蔽层改性中，可提升20倍以上的介电强度。特别值得关注的是，这种技术通过表面工程改变金属-绝缘体界面特性，而非传统意义上的材料替换，因此在设备升级和维修应用中具有更高的兼容性和经济性。后续研究可深入探索不同处理参数（如气体流量、处理时间）对薄膜性能的影响规律，以及其在复杂工况（如潮湿、辐照）下的长期稳定性表现。

这项研究不仅为金属表面改性技术提供了新的应用场景，更重要的是建立了界面工程与电树抑制的定量关联模型。通过表面粗糙度与电场分布的耦合分析，揭示了纳米级表面重构对局部电场调控的阈值效应（当表面粗糙度超过50nm时，电场强度下降趋于平缓）。同时，表面功函数与介电常数的协同变化规律（相关系数达0.87），为优化金属-绝缘体界面性能提供了理论依据。这些发现将推动新型表面改性技术在电力设备可靠性提升领域的应用，对保障电网安全运行和新能源设备稳定供电具有重要现实意义。